Инозитол трифосфаты: құрылымы, қасиеттері және жасушалық сигналдағы ролі
Inositol trisphosphate
Инозитол трифосфат (InsP3): маңызды сигнал молекуласы, клетка ішінде кальцийді босату арқылы жасуша сигналдарын күшейтеді. Биологиялық процестердегі ролі.
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Инозитол трифосфаты немесе инозитол 1,4,5 трифосфаты, InsP3 немесе Ins3P немесе IP3 деп қысқартылатын, инозитол фосфатының сигналдық молекуласы болып табылады. Ол плазма мембранасында орналасқан фосфолипид – фосфатидил инозитол 4,5 бифосфатының (PIP2) фосфолипаза С (PLC) арқылы гидролизі нәтижесінде түзіледі. Диацилглицеролмен (DAG) бірге IP3 биологиялық жасушаларда сигналдарды беруде қолданылатын екінші хабаршы молекуласы болып табылады. DAG мембранада қалады, ал IP3 ерігіш және жасуша ішінде таралып, эндоплазмалық ретикулумда орналасқан кальций каналы – рецептормен байланысады. IP3 рецепторымен байланысқанда цитозольге кальций бөлінеді, соның нәтижесінде түрлі кальцийге тәуелді жасушаішілік сигналдар белсендіріледі.
Inositol trisphosphate or inositol 1,4,5 trisphosphate abbreviated InsP3 or Ins3P or IP3 is an inositol phosphate signaling molecule. It is made by hydrolysis of phosphatidylinositol 4,5 bisphosphate (PIP2), a phospholipid that is located in the plasma membrane, by phospholipase C (PLC). Together with diacylglycerol (DAG), IP3 is a second messenger molecule used in signal transduction in biological cells. While DAG stays inside the membrane, IP3 is soluble and diffuses through the cell, where it binds to its receptor, which is a calcium channel located in the endoplasmic reticulum. When IP3 binds its receptor, calcium is released into the cytosol, thereby activating various calcium regulated intracellular signals.
Химиялық формуласы және молекулалық салмағы
IP3 – молекулалық массасы 420,10 г/моль болатын органикалық молекула. Оның эмпирикалық формуласы C6H15O15P3. Ол 1, 4 және 5-көміртектік орындарында үш фосфат тобы және 2, 3 және 6-орындарында үш гидроксил тобы бар инозитол сақинасынан құралған.
IP3 is an organic molecule with a molecular mass of 420.10 g/mol. Its empirical formula is C6H15O15P3. It is composed of an inositol ring with three phosphate groups bound at the 1, 4, and 5 carbon positions, and three hydroxyl groups bound at positions 2, 3, and 6.
Химиялық қасиеттері
Фосфат топтары ерітіндінің pH-ына байланысты үш түрлі нысанда болуы мүмкін. Фосфор атомдары үш оттек атомдарын бір байланыс арқылы және төртінші оттек атомын қос/дативтік байланыс арқылы байланыстыра алады. Ерітіндінің pH-ы, демек фосфат тобының нысаны, оның басқа молекулаларға байланысу қабілетін анықтайды. Фосфат топтарының инозитол сақинасына байланысуы фосфор эфирі байланысы арқылы жүзеге асырылады (фосфор қышқылдары мен фосфаттарға қараңыз). Бұл байланыс инозитол сақинасынан гидроксил тобы мен бос фосфат тобын сусыздану реакциясы арқылы біріктіруді қамтиды. Орташа физиологиялық pH шамамен 7.4 болғандықтан, инозитол сақинасына байланысқан фосфат топтарының басты нысаны PO42− болып табылады. Бұл IP3-ке жалпы теріс заряд береді, бұл фосфат топтарының рецептордағы оң зарядталған қалдықтарға байланысуы арқылы оның рецепторға бекінуіне мүмкіндік береді. IP3 үш гидроксил тобы арқылы үш сутекті байланыс донорына ие. Инозитол сақинасындағы 6-шы көміртек атомындағы гидроксил тобы да IP3-тің бекінуіне қатысады.
Phosphate groups can exist in three different forms depending on a solution's pH. Phosphorus atoms can bind three oxygen atoms with single bonds and a fourth oxygen atom using a double/dative bond. The pH of the solution, and thus the form of the phosphate group determines its ability to bind to other molecules. The binding of phosphate groups to the inositol ring is accomplished by phosphor ester binding (see phosphoric acids and phosphates). This bond involves combining a hydroxyl group from the inositol ring and a free phosphate group through a dehydration reaction. Considering that the average physiological pH is approximately 7.4, the main form of the phosphate groups bound to the inositol ring in vivo is PO42−. This gives IP3 a net negative charge, which is important in allowing it to dock to its receptor, through binding of the phosphate groups to positively charged residues on the receptor. IP3 has three hydrogen bond donors in the form of its three hydroxyl groups. The hydroxyl group on the 6th carbon atom in the inositol ring is also involved in IP3 docking.
Рецептормен байланысу
IP3-тің инозитол трифосфат рецепторы (InsP3R) деп аталатын рецепторына байланысуы алғаш рет 1990 жылдардың басында жойылған мутацияны қолдану арқылы зерттелді. Зерттеулер IP3 рецепторының N-ұшына бағытталған. 1997 жылы зерттеушілер IP3-тің аминоқышқыл қалдықтары 226 мен 578 арасындағы IP3 рецепторымен байланысуға қатысатын аймағын анықтады. IP3 теріс зарядталған молекула екенін ескерсек, аргинин және лизин сияқты оң зарядталған аминқышқылдарының қатысы болуы мүмкін деп болжалды. IP3 байланысуында 265 және 511 позицияларындағы екі аргинин қалдығы және 508 позициясындағы бір лизин қалдығы маңызды рөл атқаратыны анықталды. IP3-тің өзгертілген түрін қолдану арқылы үш фосфат тобының барлығы да рецептормен өзара әрекеттесетіні, бірақ тең емес екені анықталды. Иннозитол сақинасының 4-ші және 5-ші позицияларындағы фосфаттар 1-ші позициядағы фосфатқа және 6-шы позициядағы гидроксил тобына қарағанда күштірек әсер етеді.
The docking of IP3 to its receptor, which is called the inositol trisphosphate receptor (InsP3R), was first studied using deletion mutagenesis in the early 1990s. Studies focused on the N terminus side of the IP3 receptor. In 1997 researchers localized the region of the IP3 receptor involved with binding of IP3 to between amino acid residues 226 and 578 in 1997. Considering that IP3 is a negatively charged molecule, positively charged amino acids such as arginine and lysine were believed to be involved. Two arginine residues at position 265 and 511 and one lysine residue at position 508 were found to be key in IP3 docking. Using a modified form of IP3, it was discovered that all three phosphate groups interact with the receptor, but not equally. Phosphates at the 4th and 5th positions interact more extensively than the phosphate at the 1st position and the hydroxyl group at the 6th position of the inositol ring.
Ашылу
Фосфоинозид метаболизміне гормонның әсер ететінін Мейбел Р. Хокин (1924–2003) және оның күйеуі Лоуэлл Э. Хокин 1953 жылы ашты, олар ацетилхолинмен стимуляцияланғанда радиоактивті 32P фосфаты панкреас тілімдерінің фосфатидилинозитолына енгенін анықтады. Осыған дейін фосфолипидтер жасушалардың плазмалық мембрананы құру үшін ғана қолданатын инертті құрылымдар деп есептелген. Келесі 20 жыл ішінде жасушалық сигналдау тұрғысынан PIP2 метаболизмінің маңыздылығы туралы көп мәлімет алынбады, 1970 жылдардың ортасына дейін Роберт Х. Мишель PIP2 катаболизмі мен жасуша ішіндегі кальций (Ca2+) деңгейінің жоғарылауы арасындағы байланыс туралы гипотеза ұсынды. Ол PIP2 рецепторларымен белсендірілген гидролизі жасуша ішіндегі кальцийдің қозғалысын күшейтуге себеп болатын молекула тудырады деп болжады. Мишель және оның әріптестері бұл идеяны жан-жақты зерттеді және 1981 жылы PIP2 белгісіз фосфодиэстераза арқылы DAG және IP3-ге гидролизделгенін көрсетті. 1984 жылы IP3 цитоплазма арқылы эндоплазмалық ретикулумға (ЭР) жетіп, онда кальцийдің цитоплазмаға шығарылуын стимуляциялайтын екінші хабаршы ретінде әрекет ететіні анықталды. Келесі зерттеулер IP3 жолы туралы құнды ақпарат берді, мысалы, 1986 жылы IP3-тің босататын кальцийдің көптеген рөлдерінің бірі DAG-мен бірге протеинкиназа C (PKC) белсенділігін арттыру екені анықталды. 1989 жылы фосфолипаза C (PLC) PIP2-ні DAG және IP3-ге гидролиздеуге жауапты фосфодиэстераза екені анықталды. Бүгінгі күні IP3 сигналдық жолы толығымен зерттелген және кальцийге тәуелді жасушалық сигналдық жолдардың әртүрлілігін реттеуде маңызды екені белгілі.
The discovery that a hormone can influence phosphoinositide metabolism was made by Mabel R. Hokin (1924–2003) and her husband Lowell E. Hokin in 1953, when they discovered that radioactive 32P phosphate was incorporated into the phosphatidylinositol of pancreas slices when stimulated with acetylcholine. Up until then phospholipids were believed to be inert structures only used by cells as building blocks for construction of the plasma membrane. Over the next 20 years, little was discovered about the importance of PIP2 metabolism in terms of cell signaling, until the mid 1970s when Robert H. Michell hypothesized a connection between the catabolism of PIP2 and increases in intracellular calcium (Ca2+) levels. He hypothesized that receptor activated hydrolysis of PIP2 produced a molecule that caused increases in intracellular calcium mobilization. This idea was researched extensively by Michell and his colleagues, who in 1981 were able to show that PIP2 is hydrolyzed into DAG and IP3 by a then unknown phosphodiesterase. In 1984 it was discovered that IP3 acts as a secondary messenger that is capable of traveling through the cytoplasm to the endoplasmic reticulum (ER), where it stimulates the release of calcium into the cytoplasm. Further research provided valuable information on the IP3 pathway, such as the discovery in 1986 that one of the many roles of the calcium released by IP3 is to work with DAG to activate protein kinase C (PKC). It was discovered in 1989 that phospholipase C (PLC) is the phosphodiesterase responsible for hydrolyzing PIP2 into DAG and IP3. Today the IP3 signaling pathway is well mapped out, and is known to be important in regulating a variety of calcium dependent cell signaling pathways.
Сигнал беру жолы
Жасушаішілік Ca2+ концентрациясының артуы көбінесе IP3 белсендірілуінің нәтижесі болып табылады. Лиганд G белокпен байланысқан G белокқа (GPCR) байланысқанда, Gq α- кішібірлігі PLC изозимі PLC β-ға байланысып, оның белсенділігін тудырады, нәтижесінде PIP2 IP3 және DAG-ға ыдырайды. Егер рецепторлық тирозинкиназа (RTK) осы жолды белсендіруге қатысса, PLC γ изозимінде тирозин қалдықтары болады, олар RTK белсендірілген кезде фосфорилденуі мүмкін, бұл PLC γ-ны белсендіреді және оған PIP2-ні DAG және IP3-ке ыдыратуға мүмкіндік береді. Бұл инсулин сияқты өсу факторларына жауап бере алатын жасушаларда болады, себебі өсу факторлары RTK-ні белсендіретін лигандтар болып табылады. IP3 (сондай-ақ Ins(1,4,5)P3 деп қысқартылатын) – ерігіш молекула және PLC әрекетінен пайда болғаннан кейін цитоплазма арқылы ER-ге немесе бұлшық ет жасушаларында саркоплазмалық торға (SR) дейін таралуға қабілетті. ER-ге жеткенде IP3, ER бетінде орналасқан лигандқа байланысқан Ca2+ каналы болып табылатын Ins(1,4,5)P3 рецепторына (Ins(1,4,5)P3R) байланыса алады. IP3 (осы жағдайда лиганд) Ins(1,4,5)P3R-ға байланысқанда Ca2+ каналы ашылады, соның салдарынан Ca2+ цитоплазмаға босатылады. Нерв жүйесінде IP3 екінші хабаршы ретінде қызмет етеді, ал мида IP3 рецепторларының ең жоғары концентрациясы байқалады. IP3 рецепторларының мишақшаның Пуркинье жасушаларында пластикалық өзгерістерді тудыруда маңызды рөл атқаратыны дәлелденген.
Increases in the intracellular Ca2+ concentrations are often a result of IP3 activation. When a ligand binds to a G protein coupled receptor (GPCR) that is coupled to a Gq heterotrimeric G protein, the α subunit of Gq can bind to and induce activity in the PLC isozyme PLC β, which results in the cleavage of PIP2 into IP3 and DAG. If a receptor tyrosine kinase (RTK) is involved in activating the pathway, the isozyme PLC γ has tyrosine residues that can become phosphorylated upon activation of an RTK, and this will activate PLC γ and allow it to cleave PIP2 into DAG and IP3. This occurs in cells that are capable of responding to growth factors such as insulin, because the growth factors are the ligands responsible for activating the RTK. IP3 (also abbreviated Ins(1,4,5)P3 is a soluble molecule and is capable of diffusing through the cytoplasm to the ER, or the sarcoplasmic reticulum (SR) in the case of muscle cells, once it has been produced by the action of PLC. Once at the ER, IP3 is able to bind to the Ins(1,4,5)P3 receptor Ins(1,4,5)P3R which is a ligand gated Ca2+ channel that is found on the surface of the ER. The binding of IP3 (the ligand in this case) to Ins(1,4,5)P3R triggers the opening of the Ca2+ channel, and thus release of Ca2+ into the cytoplasm. In the nervous system, IP3 serves as a second messenger, with the cerebellum containing the highest concentration of IP3 receptors. There is evidence that IP3 receptors play an important role in the induction of plasticity in cerebellar Purkinje cells.
Теңіз қазқайырының жұмыртқалары
Теңіз кірпісіндегі полиспермияның баяу тоқтауы PIP2 екінші хабаршы жүйесі арқылы қамтамасыз етіледі. Байланыс рецепторларының қозуы PLC-ні белсендіреді, ол жұмыртқаның плазмалық мембранасындағы PIP2-ні ыдыратады, IP3-ті жұмыртқа жасушасының цитоплазмасына босатады. IP3 эндоплазмалық ретикулумға (ER) таралып, онда Ca2+ каналдарын ашады.
The slow block to polyspermy in the sea urchin is mediated by the PIP2 secondary messenger system. Activation of the binding receptors activates PLC, which cleaves PIP2 in the egg plasma membrane, releasing IP3 into the egg cell cytoplasm. IP3 diffuses to the ER, where it opens Ca2+ channels.
Хантингтон ауруы
Хантингтон ауруы цитозолдық Хантингтин (Htt) белгісіздің аминотерминалдық аймағына қосымша 35 глутамин қалдығы қосылғанда пайда болады. Htt-тің осы өзгертілген түрі Httexp деп аталады. Httexp 1-типті IP3 рецепторларын IP3-қа одан да сезімтал етеді, нәтижесінде эндоплазмалық тордан (ER) тым көп Ca2+ бөлінеді. ER-ден Ca2+ бөлінуі цитозольдік және митохондриялық Ca2+ концентрациясының артуына себеп болады. Осы Ca2+ артуы GABAергиялық MSN-нің ыдырауына себеп болады деп есептеледі.
Huntington's disease occurs when the cytosolic protein Huntingtin (Htt) has an additional 35 glutamine residues added to its amino terminal region. This modified form of Htt is called Httexp. Httexp makes Type 1 IP3 receptors more sensitive to IP3, which leads to the release of too much Ca2+ from the ER. The release of Ca2+ from the ER causes an increase in the cytosolic and mitochondrial concentrations of Ca2+. This increase in Ca2+ is thought to be the cause of GABAergic MSN degradation.
Альцгеймер ауруы
Альцгеймер ауруы мидың прогрессивті дегенерациясын қамтиды, бұл психикалық қабілеттерге елеулі әсер етеді. 1994 жылы Ca2+ Альцгеймер ауруының гипотезасы ұсынылғаннан бері, бірнеше зерттеулер Ca2+ сигналдауының бұзылуы Альцгеймер ауруының басты себебі екенін көрсетті. Туыстық Альцгеймер ауруы пресинилин 1 (PS1), пресинилин 2 (PS2) және амилоид алдынғы белок (APP) гендеріндегі мутациялармен күшті байланысты. Осы уақытқа дейін анықталған осы гендердің барлық мутацияланған түрлері ER-де Ca2+ сигналдауының бұзылуына себеп болады. PS1 мутациялары бірнеше жануарлар моделінде ER-ден IP3-тің көмегімен Ca2+ бөлінуін күшейтетіні дәлелденді. Кальций каналдарының блокаторлары Альцгеймер ауруын емдеуде белгілі бір жетістіктерге қол жеткізді, ал литийді қолдану арқылы IP3 айналымын баяулату да емдеудің мүмкін әдісі ретінде қарастырылуда.
Alzheimer's disease involves the progressive degeneration of the brain, severely impacting mental faculties. Since the Ca2+ hypothesis of Alzheimer's was proposed in 1994, several studies have shown that disruptions in Ca2+ signaling are the primary cause of Alzheimer's disease. Familial Alzheimer's disease has been strongly linked to mutations in the presenilin 1 (PS1), presenilin 2 (PS2), and amyloid precursor protein (APP) genes. All of the mutated forms of these genes observed to date have been found to cause abnormal Ca2+ signaling in the ER. Mutations in PS1 have been shown to increase IP3 mediated Ca2+ release from the ER in several animal models. Calcium channel blockers have been used to treat Alzheimer's disease with some success, and the use of lithium to decrease IP3 turnover has also been suggested as a possible method of treatment.